Вселенная и кварки
На протяжении многих лет физики мечтали о такой «единой» теории, которая смогла бы объединить все существующие представления об элементарных частицах вещества. В последние годы подобная теория или, точнее сказать, гипотеза, наконец, полнилась. Это гипотеза об особых фундаментальных частицах с дробными электрическими зарядами—«кварках», из которых построены все основные частицы, в том числе протоны, нейтроны и античастицы, а также мезоны, т. е, частицы с массами, превосходящими массу электрона, по меньшими массы протона. Наряду с этим появилась аналогичная гипотеза о других фундаментальных частицах — «трионах». От кварков трионы отличаются тем, что первые обладают дробными электрическими зарядами, в то время как вторые имеют заряд, величина которого выражается в целых числах.
Хотя гипотеза кварков представляет собой чисто логическое построение, она не только хорошо объясняет все известные современной науке факты, но и позволяет предсказывать новые явления, а это уже немаловажное свидетельство в пользу ее справедливости. Во всяком случае, все происходит именно так, как если бы кварки действительно существовали.
За последнее время был предпринят ряд попыток обнаружить кварки с помощью ускорителей элементарных частиц. Однако даже самые тщательные исследования продуктов столкновения нуклонов, разогнанных до весьма высоких энергий, не привели к желаемым результатам. Возможно, это объясняется тем, что кварки тяжелы. Не исключено, что их масса в несколько раз превышает массу протона — ядра атома водорода. А если это действительно так, то для того, чтобы «разбить» какую-либо элементарную частицу на кварки, необходимы фантастические энергии, намного превосходящие возможности современных ускорителей.
Как же все-таки найти кварки? Где их искать?
Один из возможных путей состоит в том, чтобы попытаться обнаружить существование кварков в природе по их косвенным проявлениям. В принципе такая возможность имеется, так как из-за необычно большой для элементарных частиц массы кварков (по некоторым данным от 5 до 10 протонных масс) их превращения должны быть связаны с преобразованиями колоссальных количеств энергии. Так, например, согласно теории один протон, т.е. одно ядро атома водорода, состоит из трех кварков, Но так как масса кварков в 30 раз больше массы одного протона, то при образовании протона из кварков «лишние» 29 единиц массы должны перейти в излучение с выделением энергии. Таким образом, получается чудовищный «дефект массы» — 97%!, что приблизительно в 140 раз превосходит дефект массы при термоядерных реакциях. Это уже приближается к полному превращению вещества в излучение, которое должно происходить при аннигиляции вещества и антивещества.
В связи с этим невольно напрашивается сопоставление между энергетическим выходом превращений материи с участием кварков и обнаруженными за последнее время во Вселенной мощными энергетическими процессами, связанными со сверхзвездами и ядрами галактик. Эти процессы носят взрывной характер и сопровождаются выделением столь грандиозных количеств энергии, что их не удается объяснить известными нам физическими явлениями.
Согласно современным теоретическим представлениям сжатие звезды после прекращения в ее недрах термоядерных реакций должно приводить к вдавливанию электронов в протоны, развалу атомных ядер и образованию так называемой нейтронной звезды. Дальнейшее сжатие приводит к образованию еще более плотных частиц — гиперонов, которые при определенных условиях могут находиться в устойчивом состоянии. При последующем сжатии в недрах подобной, как ее называют, бариоиной звезды могут возникать еще более тяжелые частицы.
По мнению советского физика Д. Д. Иваненко, не исключена возможность, что одним из звеньев в цепи таких превращений может являться образование кварков или других подобных им фундаментальных частиц.
Расчеты показывают, что для того, чтобы барпоны могли распасться на кварки, необходима чрезвычайно высокая плотность. Но именно такая плотность, согласно современным представлениям, реализуется, в частности, в недрах барионных звезд.
Процесс перехода барпонов в кварки идет с поглощением кинетической энергии, вследствие чего звезда продолжает сжиматься и становиться еще более плотной. Однако сосуществование, барионов и кварков в недрах звезды, вообще говоря, не будет устойчивым. Если благодаря самопроизвольным колебаниям плотности (флуктуациям), которые всегда могут иметь место в недрах звезды, в какой-либо области плотность барпонов окажется меньше той, при которой барионы могут переходить в кварки, процесс пойдет в обратном направлении. Другими словами, начнется переход кварков в барпоны с выделением огромных количеств энергии, что может привести к взрыву.
Как считает Иваненко, в частности, не исключена возможность, что незвездная материя может представлять собой как раз не что иное, как своеобразные кварковые состояния. Возможно, таким же было и первоначальное состояние материи в нашей области Вселенной, материи, взрыв которой привели к образованию Метагалактики.
Однако для того, чтобы окончательно убедиться в том, что кварки не просто удачный математический прием, а реально существующие частицы, их надо обнаружить, зарегистрировать точными физическими приборами.
Это обстоятельство заставило физиков обратить внимание на космические лучи. Как известно, в космических лучах встречаются частицы весьма высоких энергий, для которых большая масса кварков не должна служить препятствием. В связи с этим появилась идея попытаться зарегистрировать кварки, которые должны возникать в результате столкновения высокоэнергичных частиц космических лучей с ядрами атомов в земной атмосфере или в специально изготовленных фильтрах.
В силу целого ряда обстоятельств подобные поиски связаны с преодолением весьма значительных трудностей. Тем не менее, как показали советские ученые, космические лучи являются той природной лабораторией, в которой кварки все же могут быть обнаружены.
Как мы уже говорили, современная астрофизика пришла к выводу, что г. отдаленном прошлом наша область Вселенной находилась в состоянии высокой температуры и высокой плотности. В то время в ней присутствовало большое число пар сколь угодно тяжелых частиц и античастиц. По мере расширения и «остывания» этой системы, из которой впоследствии образовалась наша Метагалактика, концентрация таких частиц постепенно понижалась и вследствие быстроты расширения наступил момент, когда она сделалась настолько низкой, что частицы пар, практически уже не могли аннигилировать друг с другом. Поэтому в дальнейшем число подобных пар должно было оставаться уже неизменным.
Обнаружение реликтовых радиоволн, возникших па первых стадиях расширения Метагалактики в равномерно заполняющих пространство, закономерно приводит к мысли о том, что оно может быть заполнено и другими реликтовыми образованиями, в частности, кварками и антикварками.
Какова же возможная концентрация подобных частиц в настоящее время? Ответ на этот вопрос весьма сложен, так как в «холодных» и «горячих» (т. е. недрах звезд) областях кварки аннигилируют с различным» скоростями, а закономерности перехода материи между такими областями нам известны лишь приблизительно.
Тем не менее академик Я. Б. Зельдович, произведя соответствующие подсчеты, пришел к выводу, что в современной Метагалактике на одни стабильный нуклон в среднем приходится 10~10—10~13 кварка. Эти реликтовые кварки и могут присутствовать в космических лучах.
В самом деле, если кварки входят в состав различных космических объектов па равных правах с нуклонами и атомными ядрами, то, обладая электрическими зарядами, они могут испытывать точно такие же ускорения, какие испытали частицы космических лучей.
При этом их содержание в космическом излучении, как показал советский физик Е. Л. Фейнберг, должно определяться двумя обстоятельствами. Во-первых, начальной реликтовой распространенностью кварков и, во-вторых, тем, что эффективность их ускорения несколько отличается от эффективности ускорения нуклонов и ядер.
В частности, некоторые механизмы ускорения, которые для обычных космических луче» играют второстепенную роль, для кварков могут играть роль довольно существенную. Подсчеты показали, что «реликтовый» источник кварков в космических лучах может быть более существенным, чем образование кварков в атмосфере под воздействием высокоэнергнчных космических частиц.
Вместе с тем проф. Фейнберг пришел к выводу, что содержание кварков в космических лучах зависит прежде всего от концентрации еще неускоренных — «холодных» кварков в источниках излучения.
Таким образом, попытки обнаружения кварков в составе космического излучения представляются вполне оправданными. Однако сколько-нибудь надежных практических результатов в этом направлении до сих пор получить не удалось. Возможно, это связано с тем, что соответствующие измерения проводились па высотах, не превышающих 2600 м над уровнем моря. Между тем подобные эксперименты могут иметь шансы на успех лишь в том случае, если кварки не являются сильно взаимодействующими частицами. Только при этом условии они способны «пробиваться» в нижние слои атмосферы.
|
|
Читайте в рубрике «Космогония»: |